收稿日期:2023-11-02,
修回日期:2023-11-20,
纸质出版日期:2024-01-05
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介绍了闪烁材料的发展历史和重要性,以及它们在核医学诊断、高能物理测量等领域的应用。详细讨论了无机闪烁体的不足,如吸收系数小、衰减时间长、荧光产额低和生产成本高等问题。随后,强调了二维有机-无机钙钛矿材料作为新型射线探测材料的潜力,包括制备简单、响应快、空间分辨好等优势,以及在直接和间接X射线探测中的应用。最后,指出了二维钙钛矿材料的优良闪烁发光性能,如快衰减时间、高荧光产额和低生产成本,以及对核医学和高能物理测量发展的推动作用。
详细讨论了二维有机-无机钙钛矿闪烁体的发光优势。首先,介绍了无机闪烁体的发光机制,包括转换、运输和发光三个阶段,以及光电效应、康普顿散射和电子对效应等反应过程。接着,阐述了二维钙钛矿材料的晶体结构,包括Ruddlesden-Popper(R-P)和Dion-Jacobson(D-J)构型,以及层状结构的特点。特别指出,二维钙钛矿材料具有量子阱结构,其中无机层作为“阱”,有机分子层作为“屏障”,导致电子和空穴被强烈限制在阱内并结合形成激子。由于量子限域效应和介电限制效应,二维材料的激子结合能高于三维材料,从而提高了激子的复合效率和发光效率。此外,二维钙钛矿材料的合成工艺简单,可在室温下进行,降低了生长难度。因此,二维钙钛矿材料在发光效率和发光时间方面具有显著优势,有望在闪烁体领域得到广泛应用。
主要探讨了二维有机-无机钙钛矿闪烁体的性能研究进展,特别关注了R2PbBr4结构材料及其在不同掺杂条件下的闪烁性能。Kawano等人通过溶液分散法合成了Phe二维钙钛矿单晶,并与GSO∶Ce闪烁体进行了性能对比,发现Phe在不同能量辐射源激发下显示出良好的能量响应线性关系,但能量分辨率较差,可能由激子自吸收造成。Blaaderen等人研究了PEA2PbBr4材料的闪烁性能随温度变化的规律,发现发射光谱峰值随温度降低向高能方向移动,且在150 K以下出现宽发射峰,可能是由于深能级缺陷导致的激子自俘获发光。PEA2PbBr4材料在X射线激发下的快衰减时间随温度降低先增大后减小,且在10 K时出现双衰减成分。Jin等人对比了PEA2PbBr4和LYSO闪烁体的时间分辨性能,发现PEA2PbBr4具有更高的时间分辨能力,显示出在PET应用中的潜力。
Xie和Maddalena等人研究了Li元素掺杂对PEA2PbBr4和BA2PbBr4材料闪烁性能的影响,发现Li掺杂不会改变晶体结构,但会影响光产额和能量分辨率。Li掺杂PEA2PbBr4材料在低能X射线条件下具有良好的空间分辨能力。Onoda等人研究了Cd和Sn元素掺杂对PEA2PbBr4材料闪烁性能的影响,发现掺杂元素影响晶体结构,进而改变量子限域效应和闪烁性能。Kawano等人研究了碘元素掺杂对PEA2PbBr4材料衰减时间的影响,发现衰减时间随碘元素浓度增加而减小。Li等人在不同辐照条件下测量了BA2PbBr4材料的闪烁性能,发现其发光强度与X射线辐照剂量率呈线性关系,且具有较低的探测阈值。Shao等人研究了Mn掺杂对BA2PbBr4材料闪烁性能的影响,发现Mn掺杂导致发射峰红移,X射线吸收系数随Mn浓度增加而减小。
总体而言,深入分析了二维有机-无机钙钛矿闪烁体的合成方法、性能表征以及不同掺杂条件下的性能变化,为进一步优化这类材料的闪烁性能提供了重要信息。
二维有机-无机钙钛矿闪烁体在X/γ/中子射线探测与成像领域具有显著应用潜力,部分材料性能已超越商用闪烁体。然而,仍存在挑战,包括大面积材料生长技术、商业化应用推动、脉冲辐射场中应用研究不足,以及光致激发与辐射致激发发光物理机制差异。发展大面积生长技术、推动成品化生产、深入研究强量子限域效应、探索不同激发源下的载流子运动规律,对二维钙钛矿材料的进一步发展具有重要意义。专家审稿意见及作者回复可通过提供的链接访问。
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